Nghiên cứu phân loại và thực nghiệm cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa

Nội dung text: Nghiên cứu phân loại và thực nghiệm cảm giác xúc giác trong điều khiển ô tô từ xa

1. NGHIÊN CỨU PHÂN LOẠI VÀ THỰC NGHIỆM CẢM GIÁC XÚC GIÁC TRONG ĐIỀU KHIỂN Ô TÔ TỪ XA A STUDY OF CLASSIFY AND EXPERIMENTAL OF TACTILE SENSES FOR TELEOPERATION VEHICLE (1)TS. Nguyễn Bá Hải; (2) KS. Đinh Văn Cường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM (1)bahai@hcmute.edu.vn; (2)cuongckd83@gmail.com Tóm tắt Bài báo này trình bày phương pháp tái tạo 3 loại cảm giác xúc giác cho người điều khiển ô tô từ xa dựa trên sự phân loại cảm giác xúc giác đó là: áp suất, áp suất liên tục theo tần số (rung), nhiệt độ (nóng, lạnh). Với mỗi loại xúc giác, nhóm nghiên cứu trình bày các lý thuyết về phương pháp tái tạo, cách bố trí thí nghiệm và các kết quả thí nghiệm chứng minh cho các lý thuyết đã tìm được trong quá trình nghiên cứu đồng thời trình bày ứng dụng các xúc giác đó trong điều khiển ô tô từ xa. Từ khóa: Phản hồi xúc giác, haptic,điều khiển ô tô từ xa, cảm giác xúc giác Abstract This paper presents three methods reproduction of tactile sensation for teleoperator vehicle based on the classification of the sense of touch are: pressure, vibration, temperature. With each type tactile, the team presented the theory of reproduction methods, experimental layout and experimental results to prove the theories found in reseach process and present application the tactiles in teleoperation vehicle. Keywords: tactile feedback, haptic, teleoperation automotive. 1. Giới thiệu 80 – 90 % khi trực tiếp điều khiển ô tô. Nhưng khó khăn Hệ thống điều khiển từ xa đã được ứng dụng trong rất trong điều khiển ô tô từ xa là hình ảnh thu nhận rất hạn chế nhiều lĩnh vực: công nghiệp, y tế, giáo dục, quốc phòng. do nhiều yếu tố như điều kiện thời tiết, chất lượng thiết bị Nó giúp con người vận hành những máy móc, thiết bị trong thu nhận hình ảnh. Vị giác và khứu giác thì hầu như không những môi trường độc hại nguy hiểm mà con người không ảnh hưởng gì trong việc điều khiển ô tô. Như vậy, chỉ còn thể trực tiếp tham gia vào, ví dụ: hoạt động dò phá bom một giác quan hữu ích để nhận thông tin từ môi trường từ mìn, vệ sinh các nhà máy hạt nhân, lắp ráp bom hạt nhân, xa đó là xúc giác. vận chuyển các chiến binh bị thương trên chiến trận về nơi 2. Tổng quan về cảm giác xúc giác và cảm giác xúc giác cứu thương Kế thừa những thành quả của công nghệ điều trên ô tô khiển từ xa, việc điều khiển ô tô từ xa đã ra đời nhằm đáp 2.1. Cảm giác xúc giác ứng nhiều nhiệm vụ khác nhau, trong đó ứng dụng điều Xúc giác là một dạng cảm giác xuất hiện khi kích thích cơ khiển ô tô từ xa vào lĩnh vực quân sự là một điển hình. Tuy học tác động, làm thay đổi bề mặt da bằng cách tác động nhiên, có một vấn đề khó khăn đặt ra hệ thống điều khiển vào các cơ quan thụ cảm áp lực. Nó là kết quả hoạt động từ xa các thiết bị nói chung và của ô tô nói riêng đó là làm phối hợp của hai loại thụ quan là thụ quan về sự va chạm thế nào để người điều khiển có được cảm giác giống như và thụ quan về áp lực. Có 6 loại xúc giác cơ bản đó là: áp đang điều khiển ô tô trực tiếp. Đã có nhiều giải pháp khác suất, nhiệt độ, biên dạng, sức bén đường biên, độ nhám bề nhau nhằm giải quyết vấn đề khó khăn đó như là phản hồi mặt. hình ảnh, âm thanh từ môi trường làm việc của ô tô lên 2.2. Cảm giác xúc giác trên ô tô là gì người điều khiển, nghĩa là phải tận dụng những các giác Xúc giác trên ô tô là cảm giác mà người điều khiển ô tô quan của con người (thị giác, thính giác, khứu giác, vị giác, cảm nhận được thông qua việc tương tác trực tiếp với các xúc giác) để nhận thông tin của ô tô và môi trường. Mỗi bộ phận của ô tô trong lúc điều khiển ô tô. Ví dụ như khi giác quan đóng vai trò khác nhau trong điều khiển ô tô, tương tác với vô lăng, bàn đạp ga, bàn đạp phanh, ghế trong đó quan trọng nhất là thị giác. Theo nghiên cứu của ngồi, cần số Gerhard Mauter và Sabine Katzki, thị giác chiếm khoảng
2. 3. Các phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trong Trong mô hình trên hình 3.1, khi góc quay thanh AB càng điều khiển ô tô từ xa lớn thì lực tác dụng lên người điều khiển càng lớn, nghĩa là Có nhiều phương pháp tái tạo cảm giác xúc giác trên ô tô, mô-men cản do động cơ tạo ra phải càng lớn. Lúc đó, ở đây chúng tôi tái tạo 3 loại cảm giác xúc giác dựa trên sự người điều khiển có cảm giác cứng hơn. Dòng điện cung phân loại cảm giác xúc giác đó là áp suất, nhiệt độ và rung. cấp cho mô-tơ tăng tuyến tính theo góc quay thanh AB 3.1 Tái tạo cảm giác xúc giác áp suất (cứng, mềm) theo phương trình: Trong đề tài này, chúng tôi đề xuất phương pháp sử dụng i k (3.2) mô-men động cơ DC để tạo cảm giác về lực, vì vậy việc Trong đó: tạo cảm giác xúc giác áp suất được thay bằng việc điều i (A): Cường độ dòng điện khiển mô-men xoắn của động cơ DC. k: Hằng số thực nghiệm Đối với động cơ DC, cường độ dòng điện của động cơ điện α: Góc quay thanh AB tăng tuyến tính với tải mô-men như trong phương trình: Tại vị trí cân bằng thì mô-men do lực F gây ra bằng mô-  ik  (3.1) men do động cơ DC gây ra, ta có: motor t Trong đó: F.R i.kt . (3.3) motor: Mô-men xoắn đầu ra của động cơ điện DC. i:Cường độ dòng điện Như vậy, lực tác dụng lên tay người điều khiển là: kt: Hệ số mô-men của động cơ điện : Hiệu suất động cơ điện ik  F t (3.4) R Để tính toán lực phản hồi lên tay người điều khiển, chúng tôi đề xuất mô hình được giới thiệu trên hình 3.1 Khi R, kt, η không đổi, nếu tăng dòng điện i thì F sẽ tăng. Cảm giác về áp suất này có thể áp dụng để tạo phản hồi lực B lên người điều khiển khi tương tác với bàn đạp ga, bàn đạp l F phanh. B’ 3.2 Tái tạo cảm giác xúc giác rung xóc . Để tạo cảm giác rung cho người điều khiển, chúng tôi sử α R dụng động cơ DC có gắn một đĩa lệch tâm lên trục mô tơ DC. Lợi dụng sự mất cân bằng khi quay của đĩa lệch tâm Trục DC motor để tạo ra sự rung. Sự rung trong trường hợp này là do lực quán tính ly tâm. motor Hình 3.1: Mô hình tính toán phản hồi lực Trong hình 3.1: AB : là thanh thẳng có chiều dài R được gắn trên trục của động cơ DC Hình 3.2: Sự rung do lực quán tính ly tâm F : là lực mà người điều khiển tác dụng lên đầu B của Lực rung được tính như công thức: thanh AB 2 (3.5) M : Mô-men do lực F gây ra tại A Fql me (sint ) l : Chiều dài cung BB’(độ dịch chuyển của thanh AB khỏi Trong đó: vị trí cân bằng) m (kg): Khối lượng của đĩa lệch tâm
3. ω (rad/s): Vận tốc góc của rô to gian dòng điện chạy qua dây may-so. Theo công thức (3- e (m): Khoảng lệch tâm 7), khi điện trở và dòng điện chạy qua dây may-so là hằng Fql (N): Lực quán tính ly tâm số thì nhiệt lượng tỏa ra trên dây may-so sẽ phụ thuộc vào Vì hai thông số m và e là không đổi nên để thay cường độ thời gian t, nghĩa là thời gian dòng điện qua dây may-so rung hay độ lớn lực quán tính li tâm ta thay đổi ω. Vì đĩa càng lâu thì nhiệt tỏa ra trên nó càng lớn. được gắn trên trục động cơ DC nên việc thay đổi tốc độ 4. Giới thiệu mô hình thí nghiệm và lập trình thí của đĩa quay cũng chính là thay đổi tốc độ quay của động nghiệm cơ DC. Như vậy cường độ rung chỉ còn phụ thuộc vào tốc Để chứng minh cho những lý thuyết đã được trình bày độ của động cơ DC. Số rung động trong một chu kỳ phụ trong mục 3, nhóm tác giả đã tiến hành một thí nghiệm thuộc vào tần số rung động f. Tần số rung được tính theo trên một mô hình tự tạo. Sơ đồ nguyên lý của mô hình thí công thức: n (3.6) nghiệm được giới thiệu trên hình 4.1 dưới đây. f 60 Trong đó: n (Vòng/ phút): tốc độ quay của rô to f (Hz): Tần số rung Tần số f càng lớn thì sự rung sẽ càng nhanh, nghĩa là số lần rung trong một chu kỳ sẽ càng nhiều. Để cụ thể hóa vấn đề, chúng tôi sử dụng tín hiệu rung để cảnh báo áp suất nhớt của động cơ. Khi áp suất nhớt thấp hơn giá trị quy định thì bộ tạo rung sẽ phát tín hiệu rung cảnh báo người điều khiển, từ đó người điều khiển có phương pháp để xử lý Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mô hình thí nghiệm tạo cảm giác đảm bảo an toàn cho động cơ. Vì không có điều kiện thu xúc giác : áp suất, nhiệt độ, rung. thập tín hiệu thật nên tín hiệu đầu vào là áp suất nhớt động 3 2 cơ là một tín hiệu giả lập. 1 3.3 Tái tạo cảm giác xúc giác nhiệt độ 4 Để tạo nhiệt lên tay người điều khiển, chúng ta sử dụng 8 5 một sợi dây may-so để nung và nhiệt lượng tỏa ra trên dây may-so được truyền qua một tấm nhôm có bề dày 1mm. 6 Khi đặt vào hai đầu dây may-so một điện áp thì nhiệt lượng tỏa ra trên dây may-so tuân theo định luật Jun-Len xơ được môt tả bởi phương trình: 7 Q RI 2 t (3.7) Hình 4.2: Mô hình thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác áp Trong đó: suất, rung, nhiệt độ Q (J) : Nhiệt lượng tỏa ra trên dây may-so 1-Cần gạt áp lực; 2-công tắc nguồn mạch công suất; 3-Bộ R (Ω): Điện trở dây may-so tạo rung; 4-Bộ tạo nhiệt độ; 5-Công tắc nguồn bộ tạo I (A) : Cường độ dòng điện chạy qua dây may-so nhiệt; 6-Giắc USB kết nối máy tính; 7-Giắc cắm nguồn AC t (s) : Thời gian dòng điện chạy qua dây may-so 220V; 8-Vỏ hộp Để tránh bị bỏng do nhiệt thì nhiệt độ trên tấm nhôm sẽ được kiểm soát bởi cảm biến nhiệt độ, tín hiệu nhiệt của cảm biến này sẽ gửi về một máy tính để điều khiển thời
4. 4.1 Thuật toán lập trình tạo cảm giác xúc giác áp suất Bắt đầu Đọc giá trị góc NO quay α Hình 4.6: Giao diện điều khiển tạo cảm giác áp suất OK OK Tính lực α ≠ 0 phản hồi NO Kết thúc Hình 4.7: Giao diện điều khiển tạo cảm giác xúc giác nhiệt Hình 4.3: Lưu đồ thuật toán lập trình tạo cảm giác xúc độ giác áp suất 4.2 Thuật toán lập trình tạo cảm giác xúc giác rung Bắt đầu NO Đọc giá trị áp suất nhớt P Hình 4.8: Giao diện thí nghiệm tạo cảm giác xúc giác rung OK 4.5 Chương trình lập trình P 960C Xuất tín hiệu điều khiển bộ tạo nhiệt 5.1 Kết quả thí nghiệm tạo cảm giác áp suất OK NO 0 t2 < 36 C NO Kết thúc Hình 4.5: Lưu đồ thuật toán lập trình tạo cảm giác xúc giác nhiệt độ 4.4 Giao diện chương trình thí nghiệm Hình 5.1: Đáp ứng của lực F và dòng i theo góc α
5. Kết quả cho thấy giá trị lực F và dòng i tăng tuyến tính với như chưa thể áp dụng trực tiếp lên ô tô thật, các tín hiệu góc quay α. đầu vào như áp suất nhớt, nhiệt độ động cơ không phải là 5.2 Kết quả thí nghiệm tạo xúc giác rung tín hiệu thật mà chỉ là những tín hiệu giả lập, chưa giải quyết được vấn đề giải nhiệt cho bộ tạo nhiệt nên nhiệt độ của bộ tạo nhiệt giảm xuống rất lâu. Trong thời gian tới, nhóm tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu việc ứng dụng các tín hiệu xúc giác đó lên ô tô thật và các tín hiệu đầu vào để điều khiển sẽ là những tín hiệu thật được thu thập qua các cảm biến đặt trên ô tô. Hình 5.2: Biên độ rung theo thời gian Kết quả cho thấy khi giá trị áp suất nhớt động cơ nhỏ hơn Tài liệu tham khảo 0.4 kg/cm2 thì bộ tạo xúc giác rung bắt đầu hoạt động và [01] TS. Nguyễn Bá Hải, “Giáo trình Lập trình biên độ rung hoàn toàn có thể thay đổi được theo từng mục LabVIEW”, NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2012 đích. [02] PGS.TS Đỗ Văn Dũng, “ Hệ thống điện thân xe và 5.3 Kết quả thí nghiệm tạo xúc giác nhiệt độ điều khiển tự động trên ô tô” , 2007 trang 25 – 26 . [03] Trịnh Hữu Hằng, Đỗ Công Huỳnh, “Sinh lý học người và động vật”, NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007, Chương 3, trang 42 – 84 . [04] Coudon, et. al., “A New Reference Model for Steer-By-Wire Applications with Embedded Vehicle Hình 5.3: Đồ thị nhiệt độ của bộ tạo nhiệt theo thời gian t Dynamics”, American Control Conference, 2006 Kết quả cho thấy khi giá trị nhiệt độ động cơ tăng trên [05] Im et. al., “Bilateral Control for Steer-by-Wire 960C thì nhiệt độ trên tấm nhôm bắt đầu tăng theo và đến Vehicles”, SICE-ICASE International Joint Conference, giá trị nhiệt độ cực đại 420C thì không tăng nữa. Nhiệt độ 2006. này đủ để cảnh báo và không đảm bảo an toàn cho da theo [06] Ba-Hai Nguyen, Jee-Hwan Ryu, “Direct Current thực nghiệm với mô hình này. Measurement Based Steer-By-Wire. Systems for Realistic 6. Kết luận và hướng phát triển Driving Feeling”. ISIE 2009. IEEE International Qua đề tài phân loại và thực nghiệm cảm giác xúc giác Symposium on Industrial Electronics, 2009. Korea. trong điều khiển ô tô từ xa nhóm tác giả đã chứng minh được những lý thuyết đã tìm được trong quá trình phân tích và nghiên cứu. Đó là lý thuyết về tái tạo cảm giác xúc giác áp suất (cứng, mềm), cảm giác xúc giác rung xóc, cảm giác xúc giác nhiệt độ. Kết quả đạt được và đóng góp của đề tài chủ yếu gồm: - Tạo được ba loại cảm giác xúc giác: áp suất, rung, nhiệt độ - Phát triển thêm việc tạo cảm giác xúc giác đó là rung và nhiệt độ để làm tín hiệu cảnh báo cho người điều khiển ô tô nhờ đó mà thông tin phản hồi cho người điều khiển phong phú hơn, giúp cải thiện hiệu quả điều khiển và giảm tải cho thị giác. Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu ngắn ngủi và kinh phí chưa đáp ứng tốt nên nghiên cứu này còn có nhiều hạn chế
6. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.